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粒度对负极材料有什么影响?

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负极材料作为新能源汽车动力电池的核心材料之一,对新能源汽车的最终性能起着至关重要的作用。高性能负极材料的研究成为当前锂离子动力电池最为活跃的板块之一。现阶段,商业化锂离子电池负极材料以碳素材料为主,其比容量高(200~400mAh/g),电极电位低,循环性能好(1000周以上),理化性能稳定。

 

碳负极材料主要性能对比

 

负极材料的核心指标有:粒度、比表面积、振实密度、真密度、灰分、pH值。其中粒度又会影响比表面积和振实密度,从而影响电池的加工工艺和倍率性能。石墨材料具有高比容量(理论372mAh/g,可逆比容量可以达到360mAh/g)、低而且平坦的放电平台(0.2~0V)、优良的循环性能(可以循环一千次以上),是锂离子二次电池常用的的负极材料之一。石墨材料的颗粒大小对电极比表面积和边缘原子的比例有很大影响,从而影响石墨负极材料的电池的制浆工艺、体积能量密度及首次充电时的不可逆比容量等。

 

粒度对制浆工艺的影响

 

负极材料的粒度分布会直接影响电池的制浆工艺。在相同的体积填充份数情况下,材料的粒径越大,粒度分布越宽,浆料的黏度就越小,这有利于提高固含量,减小涂布难度。

 

粒度对体积能量密度的影响

 

负极材料的粒度分布较宽时,体系中的小颗粒能够填充在大颗粒的空隙中,有助于增加极片的压实密度,提高电池的体积能量密度。

 

粒度对不可逆容量的影响

 

对不同石墨样品进行恒电流充放电测试和循环伏安测试,结果发现,石墨颗粒越小,能够与电解液接触的比表面积越大,首次充放电过程中形成的SEI膜所消耗的电荷就越多,不可逆容量损失也就越大。

 

粒度对充放电性能的影响

 

实验研究表明,石墨颗粒越小,嵌入时所需要克服的范德华力也就越小,嵌入越容易进行,而且颗粒越小,锂离子嵌入和脱出的通道数量相对越多,越有利于快速达到完全嵌锂状态,在高速率的扫描条件下,电压滞后程度就越小,即大电流充放电性能越好。

 

粒度对振实密度的影响

 

锂电池负极材料用的石墨要求石墨微粉振实密度高,形貌为等积球形,形成产品的成品率高(成球率高)。球形度越高,振实密度越大,如接近1g/cm3或大于1g/cm3,产品更好。粒度分布越合理(大小有序结合),振实密度会越大。

 

负极材料对粒度的要求

 

综上可以看出,负极材料的粒度过大或过小都会对电池的最终性能产生一定的不良影响,所以要从中取一个平衡,另外粒度的分布也是影响电池性能的重要因素。下表是负极材料标准中的粒度要求。

 

负极材料的粒度主要是由其制备方法决定的。可通过控制原料的种类、反应时间、温度和压力等来调控粒径。

 

当前全球负极材料市场已趋于稳定,需求量每年稳步增长。但是成本价格上升、负极材料企业增多、行业竞争加剧等导致了行业整体利润被进一步压缩,预计在今后的几年里全球负极材料产量增速会逐渐放缓,高端负极材料需求量会增加,所以对新材料、新技术的开发与应用将是行业突破瓶颈的关键。


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